[發明專利]一種用于電路快速仿真的二極管內部結點消去方法

無效

• 申請號: 201210246096.0
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN102841960A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 尚也淳;陳志東;陳光前
• 申請（專利權）人: 北京華大九天軟件有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.技術領域

本發明屬于EDA(電子設計自動化)領域，特別地，涉及一種用于集成電路快速仿真的消去內部結點的二極管建模及仿真方法。

2.背景技術

電路仿真是集成電路設計過程中的重要環節，通過對電路進行仿真，設計者可以在電路開發的早期預測出電路的行為、檢測出錯誤，從而可以避免因投片生產后才發現芯片性能不符合要求而造成的巨大損失。

電路仿真的過程就是依據器件模型和電路基爾霍夫(Kirchhoff)定律，對整個電路在每個結點上建立電學方程，然后再通過牛頓-拉夫森(Newton-Ralphson)迭代對這組方程進行求解，從而得到仿真結果。

由于電路設計規模的不斷增大，消耗在電路仿真上的時間越來越長，那么在能滿足設計者要求精度的條件下，怎樣提高電路的仿真速度就成了當前EDA工具開發所面臨的最主要的問題之一。電路仿真所消耗的時間主要集中在模型的計算和矩陣的求解上。當前的一些用于提高電路仿真器仿真速度的技術也都是分別針對于如何能減少這兩個方面的時間。

對于集成電路的快速仿真，模型簡化技術是一項重要的加速仿真技術。這就是要求在能保證器件模型精度的前提下，通過一定的方法，減少模型及矩陣的計算時間，從而來提高電路的仿真速度。

Pn結二極管是最基本的半導體器件，它有2個結點，即Anode端和Cathode端。但當它的寄生電阻Rs不可忽略時，那么它就要用一個包含3個結點的網絡進行描述(增加1個內部結點)。在對電路進行仿真時，這個內部結點會導致每個二極管1個額外電學方程的增加，這就會使得電路求解矩陣增大，從而使得接下來的矩陣LU分解時間增長，導致電路的仿真時間增長。

針對這種情況，為了提高電路仿真速度，人們希望能夠建立一種兩結點的二極管電學解析模型。但由于二極管的理想I-V特性是一種指數關系，而寄生二極管的I-V特性是一種線性關系，這使得一般二極管的電特性只能用一種超越函數(Lambert-W函數)來描述，到目前為止，人們還不能從它得到用于電路仿真的精確二極管兩結點解析模型。

近幾年來，一些研究者對于pn結二極管也曾提出過一些近似的解析模型，即是通過消去二極管的內部結點，近似求解描述二極管I-V特性的Lambert-W函數，來得到二極管的兩結點解析模型。但是這些解析模型都是理想化的，在求解過程中為了使得問題簡化，都做了大量的近似，僅僅考慮的是理想二極管，忽略了二極管的一些重要效應，如大注入效應，隧穿電流及擊穿特性。

Pn結的大注入效應，隧穿電流及擊穿特性都是二極管的重要電學性質。大注入效應是指注入的非平衡載流子濃度大于多子濃度，這時擴散區的電中性假設不再成立，對數坐標平面上二極管I-V關系的斜率會偏離理想狀態。二極管的反向隧穿電流是由pn結內部薄的勢壘區產生的，當有反向電壓存在時，勢壘區中的電場會很強，從而產生隧穿電流。另外，當二極管反向電壓超過一定的值時，會有大的反向電流產生，這就是反向擊穿。

考慮大注入效應，隧穿電流及擊穿特性對于正確描述二極管的I-V特性非常必要，當前所有應用于工業中的電路仿真器都無不在二極管模型中包括有這些效應。因此以上提到的這些兩結點二極管解析模型在工業上還都缺少使用價值。

3.發明內容

本發明的目的在于提供一種實用的消去內部結點的二極管解析模型和它的建模方法，這種方法對二極管的電學方程進行了近似求解，從而把包含有寄生電阻的3結點二極管模型等效為消去內部結點的兩結點二極管模型。這種方法考慮了當前pn結二極管模型中所包括的所有物理效應。本發明可在保證電路收斂精度的條件下，降低電路仿真過程中電路方程的規模，減少求解矩陣所消耗的時間，從而提高電路的仿真速度。

本發明的技術方案是：

在電路仿真過程中，對于包含有寄生電阻R_s及內部結點的3結點二極管模型，消去它的內部結點，用兩結點的二極管解析模型對它進行等效。

在上述對二極管內部結點的消去方法中，二極管的兩結點解析模型是通過近似求解二極管的電路方程得到的，它考慮了二極管的大注入效應，隧穿電流及反向擊穿特性。二極管的電路方程為：

正向特性：